基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID的解凍裝置溫濕度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

王安敏 耿云飛

（青島科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 青島 266061）

1 引言

隨著人口數(shù)量的增加以及生活節(jié)奏的加快，大型肉食食品加工廠的數(shù)量在不斷的增加，為保證食品的完整性以及便利，大都是整只進(jìn)行冷藏，而解凍成了一定問題，傳統(tǒng)的解凍方式出現(xiàn)了解凍速度慢、營養(yǎng)流失等問題［1］。而用磁控管進(jìn)行微波解凍很好的解決了以上問題，本設(shè)計(jì)研發(fā)一種大容量解凍柜以STM32F407為核心控制整套解凍系統(tǒng)，STM32F407屬于ARM系列單片機(jī)相比其他低端單片機(jī)能更好的建立人機(jī)交互觸摸液晶屏桌面，同時(shí)具有144個(gè)引腳，1MBFLASH，192KBSRAM，32位定時(shí)器，USB，I2C確保系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性以及數(shù)據(jù)保存和運(yùn)行的時(shí)長性［2～3］。通過BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)能力實(shí)現(xiàn)PID算法參數(shù)的最優(yōu)化組合進(jìn)而調(diào)節(jié)箱體溫度，從而提高系統(tǒng)的適應(yīng)性、魯棒性、穩(wěn)定性，保證系統(tǒng)裝置的可控性以及效果的可靠性，取得最理想的控制效果，達(dá)到理想的解凍效果。

2 系統(tǒng)工作原理設(shè)計(jì)

該裝置解凍系統(tǒng)主要由噴霧加濕器噴頭1、內(nèi)箱體支架2、變壓器3、超導(dǎo)熱管4、空間溫度傳感器5、肉體溫度傳感器6、散熱風(fēng)扇7、磁控管8、濕度傳感器9、重量傳感器10組成。將需要的解凍的大型肉體，放入箱體，由DYLY-102測(cè)量采集解凍體重量信息，由磁控管M24FB-210A產(chǎn)生電磁波進(jìn)貫穿物體迅速加熱，由紅外線傳感器測(cè)量解凍體的體表溫度，由WZPT-100鉑電阻溫度測(cè)溫器及AM2305數(shù)字溫濕度測(cè)溫器測(cè)量箱體內(nèi)的溫濕度，由加濕器進(jìn)行加濕處理，通過神精網(wǎng)絡(luò)多元素融合進(jìn)行PID運(yùn)算調(diào)節(jié)溫濕度、設(shè)定工作時(shí)間，使溫濕度精確控制達(dá)到所設(shè)定的值，得到良好的解凍效果，其中加濕器由繼電器控制通斷［4～6］，系統(tǒng)裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 解凍系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3 系統(tǒng)硬件電路

3.1 溫濕度檢測(cè)電路

設(shè)備采用WZPT-100鉑電阻溫度測(cè)溫器測(cè)量箱體內(nèi)，采用TN901紅外線溫度傳感器測(cè)量解凍體表面溫度防止溫度過高破壞肉體表面質(zhì)量，AM2305數(shù)字溫濕度測(cè)溫器測(cè)量箱體濕度同時(shí)為控制器計(jì)算提供解凍體中心溫度參數(shù)［7～10］。WZPT-100溫度檢測(cè)器由304不銹鋼管組成測(cè)量范圍-200℃～150℃由螺紋密封可以防止微波泄露，并且單線傳遞數(shù)據(jù)，控制電路如圖2，AM2305數(shù)字溫濕度測(cè)溫器的連接線路同時(shí)也是單線傳遞數(shù)據(jù)如圖3，TN901紅外線溫度傳感器控制電路控制如圖4。

3.2 稱重系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)

DYLY-102稱重感應(yīng)器，將重量測(cè)量信息變成電壓信號(hào)，通過特定激勵(lì)芯片放大并通過A/D數(shù)模轉(zhuǎn)換將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號(hào)并將信息傳遞到STM32參與數(shù)據(jù)運(yùn)算，控制加熱時(shí)間及溫濕度的調(diào)試計(jì)算，同時(shí)將測(cè)量數(shù)據(jù)信息保存到數(shù)據(jù)寄存器內(nèi)在液晶屏上顯示，其連接線路如圖5。

圖2 WZPT-100控制電路

圖3 AM2305控制電路

圖4 TN901控制電路

圖5 DYLY-102控制電路

3.3 其他輔助電路設(shè)計(jì)

1）液晶觸摸屏控制電路

選擇eView ET070智能顯示屏作為人機(jī)交互設(shè)備，主要用來輸入?yún)?shù)、查看箱體內(nèi)實(shí)時(shí)溫度、濕度等參數(shù)，該觸摸屏是16位色彩屏，內(nèi)部有128M FLASH、64MSDRAM儲(chǔ)存器可以用于數(shù)據(jù)程序的保存，需要24V的供電模塊，與STM32串口連接。

2）報(bào)警電路

該設(shè)備的快速解凍系統(tǒng)需要蜂鳴器進(jìn)行報(bào)警以及提醒，當(dāng)解凍完成，艙門沒關(guān)，加熱時(shí)間過長等系統(tǒng)失誤時(shí)會(huì)進(jìn)行提醒，電路圖如圖6。

圖6 蜂鳴器控制電路

4 溫濕度系統(tǒng)調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)

4.1 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制算法

BP神經(jīng)網(wǎng)路PID算法就是經(jīng)過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的權(quán)系數(shù)調(diào)整和學(xué)習(xí)為PID的線性控制提供數(shù)據(jù)參數(shù)，控制比例（KP）、積分（KI）、微分（KD），使箱體內(nèi)的溫度可以最大可能的接近理想值，實(shí)現(xiàn)微波解凍的最優(yōu)化，控制結(jié)構(gòu)圖如圖7。增量式PID控制算式：

公式中：KP為比例系數(shù)，KI為積分系數(shù)，KD為微分系數(shù)，uk為PID的控制器輸出，y(k)為供熱系統(tǒng)的加權(quán)位移量，r(k)為溫度設(shè)定量，e(k)為時(shí)間k時(shí)的位移系統(tǒng)設(shè)定量與加權(quán)位移量的偏差。

圖7 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制結(jié)構(gòu)

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出層的輸入、輸出各為

式中rp為變化量的理想設(shè)定值，yp為測(cè)量值。

正網(wǎng)絡(luò)的權(quán)值量由最快下降法來修正，就是朝權(quán)系數(shù)的減小方向進(jìn)行搜索調(diào)整，另外附加一個(gè)全局極小的慣性項(xiàng)用來使搜索速度加快收斂，從而得到：

式中η學(xué)習(xí)速率，α平滑因子。

由式（1）～式（6）及增量式PID控制算法計(jì)算可得：

綜上所述，可得輸出層的權(quán)系數(shù)學(xué)習(xí)計(jì)算公式：

根據(jù)以上公式推理，可得到隱含層的權(quán)系數(shù)學(xué)習(xí)計(jì)算公式：

4.2 溫度控制方法

經(jīng)過熱負(fù)荷計(jì)算本裝置采用四個(gè)紅外線溫度傳感器，進(jìn)行多點(diǎn)解凍體表面溫度檢測(cè)，由于體積較大所以每個(gè)磁控管都由相對(duì)應(yīng)的溫度傳感器參與BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID計(jì)算并進(jìn)行調(diào)節(jié)，同時(shí)參與調(diào)節(jié)的還有八個(gè)散熱器分別裝備的位置不同，以及十根超導(dǎo)熱管參與散熱防止溫度過高使解凍體的內(nèi)外受熱不均勻，散熱器以及磁控管都可以單獨(dú)通過調(diào)節(jié)PWM進(jìn)行獨(dú)立控制，確保每部分空間的熱量都可以根據(jù)解凍體的解凍情況進(jìn)行均勻溫度控制，同時(shí)用WZPT-100鉑電阻溫度測(cè)溫器檢測(cè)箱體內(nèi)的空間溫度，提供箱體溫度參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)箱體溫度避免箱體溫度過高影響解凍體內(nèi)外溫度差過高，控制磁控管以及散熱器調(diào)整PWM調(diào)整溫度控制，保證解凍體解凍完成后整體溫度保持在-2℃～0℃以內(nèi)，便于加工計(jì)算解凍時(shí)間由稱重器測(cè)的信息估算解凍時(shí)間范圍并綜合解凍過程中的溫度控制信息經(jīng)過BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID多元素參與計(jì)算確定解凍完成時(shí)間，加快解凍時(shí)間［11～15］，控制流程如圖8。

圖8 控制流程

4.3 濕度控制方法

磁控管進(jìn)行加熱時(shí)會(huì)對(duì)解凍體及箱體內(nèi)的水分進(jìn)行蒸發(fā)，會(huì)使食物在解凍過程中失去大量的水分，會(huì)影響食物的口感及賣相甚至?xí)诩庸み^程中影響加工參數(shù)，經(jīng)過大量的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)當(dāng)箱體的維持在96%RH時(shí)對(duì)食物的口感以及加工的溫度控制都能起到很好的作用，裝置設(shè)計(jì)使用加濕器在解凍體解凍過程中進(jìn)行箱體加濕，箱體的加濕時(shí)間由紅外線溫度傳感器，濕度傳感器經(jīng)過BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID計(jì)算調(diào)試確定加濕器運(yùn)行時(shí)間。加濕器采用25S為一周期的周期性檢測(cè)并多元素綜合經(jīng)過BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID計(jì)算設(shè)定時(shí)間，當(dāng)加濕時(shí)間少于15s時(shí)加濕器不進(jìn)行工作，避免加濕器啟動(dòng)過于頻繁影響機(jī)器的使用壽命，大于15s時(shí)加濕器開始啟動(dòng)加濕，用來維持恒定的96%濕度箱體環(huán)境。

4.4 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

解凍的解凍是以磁控管，散熱器以及加濕器作為整套設(shè)備解凍的核心，通過BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID進(jìn)行計(jì)算確定調(diào)節(jié)參數(shù)然后通過PWM的占空比來調(diào)節(jié)和控制各個(gè)部件，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)各個(gè)部件的功率輸出的調(diào)節(jié)，來達(dá)到利用磁控管解凍的目的［16～18］，流程圖如圖9。

圖9 系統(tǒng)程序圖

圖10 微波解凍時(shí)間折線圖

5 數(shù)據(jù)分析比較

選用質(zhì)量基本相同的冷凍24h的兩頭豬，達(dá)到相同的溫度，在普通解凍方式和微波解凍方式下進(jìn)行解凍，根據(jù)解凍數(shù)據(jù)繪制折線圖如10圖所示，對(duì)比發(fā)現(xiàn)微波解凍方式下比常規(guī)方式解凍的速度快，說明了通過BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID計(jì)算控制后可以有效地控制裝置，有效地控制解凍體快速的解凍。

6 結(jié)語

設(shè)計(jì)在傳統(tǒng)的解凍方式基礎(chǔ)上加上STM32為核心控制系統(tǒng)的以及BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID為算法的新型大容量微波解凍裝置，利用磁控管產(chǎn)生的微波進(jìn)行解凍使解凍體解凍均勻，節(jié)約時(shí)間，衛(wèi)生等優(yōu)點(diǎn)以及BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID算法的靈敏性、超調(diào)量小、抗干擾等優(yōu)點(diǎn)，采集計(jì)算數(shù)據(jù)參數(shù)通過STM32豐富的接口以及簡化電路控制整個(gè)系統(tǒng)，保證精確達(dá)到解凍效果，優(yōu)化解凍效果，在工業(yè)生產(chǎn)上具有廣泛的前景和實(shí)用性。